基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法.pdf

基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法，属于通信网络技术领域，涉及光网络业务量疏导技术和资源配置方法。包括：步骤1：根据物理拓扑网络结构，构建虚拓扑网络；步骤2：为业务集合中的每一个业务在虚拓扑网络中进行路由和资源分配；步骤3：光路模块化；步骤4：根据步骤3所得的光路模块化结果，在物理拓扑网络中为物理链路分配资源。本发明在已知网络节点及节点间的连通情况和业务集合的情况下，基于层间信息为业务寻找路由并配置资源，能尽可能的减小物理网络上总资源的占用量，且资源配置速度得到大大提高。本发明适用于WDM光网络，也适用于上、下层业务粒度不同的两层及多层网络，例如：IP/MPLS over WDM网络、两层SDH网络等。

1、  基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法，在已知网络节点及节点间的连通情况和业务集合的情况下，基于层间信息为业务寻找路由并配置资源，包括如下步骤：
步骤1：根据物理拓扑网络结构，即网络节点及节点间的连通情况，构建虚拓扑网络；具体由以下两个步骤实现：
步骤1-1：根据物理拓扑网络结构，建立一个全连通的虚拓扑网络：
步骤1-2：为虚拓扑网络中的每条虚链路在物理拓扑网络上确定一条一一对应的物理路径；具体确定方法是：根据虚链路的源、宿节点，在物理拓扑网络上对应的源、宿节点间找出跳数和最小的一对物理路径，将其中较短的一条作为虚链路对应的物理路径，它的跳数以PHop表示，另外一条的跳数用QHop表示，作为以后为业务路由时设置权重的一个参考；
步骤2：为业务集合中的每一个业务在虚拓扑网络中进行路由和资源分配；具体包括以下步骤：
步骤2-1：为业务集合中的每一个业务在虚拓扑网络中确定工作路径并进行资源分配：
首先为虚拓扑网络中的每条虚链路设置权重，然后采用SPA路由方法确定当前业务的工作路径，最后再进行资源的分配；其中，虚链路的权重设置具体包括以下两个步骤：
步骤2-1-1：计算虚链路的基本权重BaseWeight：
Base Weight＝B_d+AddLPCoeff*AddLPNum*C_LP*PHop       (1)
其中，B_d为当前业务带宽；AddLPCoeff是一个大于0的可调浮点数，用于作为链路上扩展LightPath设置的扩展系数；AddLPNum表示当前业务带宽会导致虚链路上增加的光路数目；C_LP为虚链路上波长的容量；PHop表示虚链路对应的物理路径的跳数。
而

其中，CTotalResource是虚链路新增当前业务前的资源；LPNum是虚链路新增当前业务前的光路数目，且：

步骤2-1-2：计算虚链路的总权重VLinkWeight：
首先根据虚链路上新增当前业务前的工作光路数目WorkLPNum：

其中，CWorkResource表示虚链路上新增当前业务前的工作资源；
计算虚链路上新增业务后导致虚链路上增加的工作光路，即有业务的工作资源经过的光路的数目AddWorkLPNum：

然后根据虚链路新增当前业务后增加的工作光路数目AddWorkLPNum计算相应的惩罚性权重NeedProtectWeight：
NeedProtectWeight＝NeedProtectCoeff*AddWorkLPNum*QHop*C_LP    (7)
其中，NeedProtectCoeff是一个大于0的可调浮点数，用于作为考虑对物理层资源影响的系数；QHop为步骤1-2中确定的一对最短物理路径中较长的一条路径的跳数；
最后，计算虚链路总的权重VLinkWeight：
VLinkWeight＝Base Weight+NeedProtectWeight                   (8)
步骤2-2：为业务集合中的每一个业务在虚拓扑网络中确定保护路径并进行资源分配：
首先为虚拓扑网络中的每条虚链路设置权重，确定保护路径时的虚链路权重只含有基本权重，且该基本权重的设置方法与步骤2-1-1中计算虚链路的基本权重BaseWeight相同；
然后判断虚拓扑网络中的每条虚链路对应的物理路径与当前业务经步骤2-1确定的工作路径对应的物理路径是否含有相同的物理链路；如果含有相同的物理链路，则该虚链路不能作为当前业务保护路径的链路；
然后采用SPA路由方法计算业务的保护路径；
最后再进行资源的分配；
步骤3：光路模块化：
为所有业务路由并分配资源后，根据业务路由和虚链路资源配置信息，在虚链路上创建光路LightPath，并将经过虚链路的业务放在LightPath里面：分别计算工作资源和保护资源的大小，先将工作资源模块化，如果模块化后的LightPath里面有剩余资源，则填充保护资源，最后再对剩下的保护资源进行模块化；对于承载了工作资源的光路，将其标记为LPProtected，表明其在物理拓扑上需要被保护；
步骤4：根据步骤3所得的光路模块化结果，在物理拓扑网络中为物理链路分配资源：
对于虚链路上被标记为LPProtected的光路，需要为其寻找一条与它对应的物理路径链路分离的保护路，保护路的选取按跳数最小为标准，然后为该光路在它对应的物理工作路径和保护路径分别分配资源；对于没有被标记的光路，直接在对应的物理链路上分配资源。

基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法
技术领域
本发明属于通信网络技术领域，涉及光网络业务量疏导技术和资源配置方法。
背景技术
随着多层网络和光网络技术的发展，两层WDM光传送网由于其巨大的传输带宽，已经成为下一代骨干网络的核心技术。由于WDM网络中很多业务请求的带宽都远远小于一个波长的粒度，为每个业务请求分配一个独立的波长信道，会严重降低网络利用率，因此有必要将多个低速业务请求汇聚起来在一个波长信道上传输，这就是所谓的业务量疏导技术；同时巨大的传输带宽也面临挑战，一旦网络部件失效，大量业务数据将会丢失，将导致巨大的损失，因此差错控制也是WDM光网络中必须考虑的一个因素。
可生存性业务量疏导的目的是在将多个低速业务请求汇聚起来在一个波长传输，提高网络利用率的同时，也为网络中的每个业务实现预留备份资源，这样当业务的工作资源失效后，业务可以通过保护资源传输。
两层WDM网络中的可生存性技术可以分为以下三种：在虚拓扑网络层(即上层)提供业务保护；在物理拓扑网络层(即下层)进行故障保护；在上、下两层网络中均提供保护机制。通常，下层保护具有恢复时间短、故障处理简单等优点，但不能从上层故障中恢复；而上层保护能够从故障中恢复，但缺点是恢复复杂、花费时间长。在实际应用中，经常有一类高QoS(Quality of Service)等级的业务，需要为其提供快速、完善的保护机制，使其从各种差错中快速恢复，因此，对于这类业务，我们需要为其在上、下两层网络中均提供专用保护机制。具体的方法如下：先在上层为业务找工作路和专用保护路，然后在下层对承载了工作资源的光路在下层找一条保护路。
如图1所示，对于一个a→c的业务：上层工作路径为a→c，保护路径为a→b→c.
光路a→c上承载了工作资源，因此它在下层需要被保护，光路a→c对应的物理工作路径为a-A→B→C-c，物理保护路径为a-A→D→E→C-c.
光路a→b只承载了保护资源，它在物理拓扑上对应路径为a-A→D→B-b.
光路b→c只承载了保护资源，它在物理拓扑上对应路径为b-B→E→C-c.
Yu Liu等在文献“Spare Capacity Allocation in Two-Layer Networks.IEEE Journal onSelected Areas In Communications，vol.25，no.5，pp.974-986，2007.”中提出可生存性网络设计问题，包括可生存性逻辑拓扑设计和备用容量分配两个子问题。其中，在逻辑拓扑(即虚拓扑)的设计中，将每条虚链路在物理拓扑上对应一条最短路；并提出了SSR算法(Successivesurvivable routing algorithm)，用来解决备用容量分配(Spare Capacity Allocation)问题，即在已知业务工作路的情况下，为业务寻找保护路，使得保护路所占的总备用容量最少。SSR算法通过层间链路映射矩阵H进行运算，设置虚链路的权重，并通过迭代为业务选取一条需要备用资源最少的保护路。具体方法描述如下：
首先在每条虚链路上计算业务对该虚链路资源的影响然后运用层间链路映射矩阵H，可计算到对物理链路上备用容量的影响 v d b = H T v vl d , ]]>再通过层间链路映射矩阵H将物理链路上资源增加量映射到虚链路上，作为虚链路的权重，即 Weitht vl = H * v d b , ]]>最后根据SPA算法寻找最短保护路。计算到一条保护路后，SSR算法将该保护路删除，运用同样的权重设置方法再计算一条保护路，如果新保护路对下层资源的增加量小于以前的保护路，就用新的保护路作为业务的保护路，如此反复迭代，直到物理拓扑上的备用资源不再减小，最终计算出一条最优的保护路。
现有技术一的缺点：
1)虚拓扑设计没有考虑到对总资源的影响。虚拓扑完全按照最短路算法建立工作路径和保护路径，工作路径和保护路径占用的总资源不是最小。
2)两次运用层间链路映射信息H做运算，将物理链路上的资源增加量叠加起来作为虚链路权重，这样的权重设置方法导致几乎每条虚链路上的权重都比较接近，这样在虚拓扑上为业务路由时，容易新增光路，从而导致物理资源的增加。
3)每个业务寻找路由需要经过长时间迭代，直到循环次数结束或者备用容量不再减少，耗费的运行时间长。
现有的可生存性业务量疏导技术将虚拓扑设计和业务路由作为两个完全不相关的问题，并且业务路由时的权重设置方法很容易导致整个网络资源总的资源消耗量较大，这么大的资源消耗通常不能被大多数的用户接受。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法(CLIR—STG)，该方法基于层间信息为业务寻找路由并配置资源，能尽可能的减小物理网络上总资源的占用量，即：(1)、虚拓扑的设计考虑到对物理资源的影响；(2)、业务路由时权重的设计也使业务尽量走不导致物理资源增加的链路。
下面阐述该发明的详细技术方案。为方便描述，对其中使用倒的符号和术语定义如下：
PHop：虚链路对应的物理路径的跳数；
QHop：虚链路对应的物理保护路径的跳数；
LightPath：光路；
B_d：业务请求的带宽；
C_LP：每个LightPath的容量；
CTotalResource：虚链路上的总资源大小；
CWorkResource：虚链路上的总工作资源大小；
BaseWeight：链路的基本权重；
VLinkWeight：当前链路的权重；
LPNum：虚链路上的LightPath的数目；
AddLPNum：虚链路上需要新增的光路数目；
WorkLPNum：虚链路上的承载了工作资源的光路数目；
AddWorkLPNum：虚链路上虚要新增的工作光路数目；
AddLPCoeff：新增光路的惩罚因子，可调整；
NeedProtectCoeff：新增工作光路的惩罚因子，可调整；
C_Plink：物理链路上分配的总资源；
基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法，在已知网络节点及节点间的连通情况和业务集合的情况下，基于层间信息为业务寻找路由并配置资源，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：根据物理拓扑网络结构，即网络节点及节点间的连通情况，构建虚拓扑网络。由以下两个步骤实现：
步骤1-1：根据物理拓扑网络结构，建立一个全连通的虚拓扑网络。
步骤1-2：为虚拓扑网络中的每条虚链路在物理拓扑网络上确定一条一一对应的物理路径；具体确定方法是：根据虚链路的源、宿节点，在物理拓扑网络上对应的源、宿节点间找出跳数和最小的一对物理路径，将其中较短的一条作为虚链路对应的物理路径，它的跳数以PHop表示，另外一条的跳数用QHop表示，作为以后为业务路由时设置权重的一个参考。
步骤2：为业务集合中的每一个业务在虚拓扑网络中进行路由和资源分配。具体包括以下步骤：
步骤2-1：为业务集合中的每一个业务在虚拓扑网络中确定工作路径并进行资源分配，如图3所示。
首先为虚拓扑网络中的每条虚链路设置权重，然后采用SPA(Shortest Path Algorithm)路由方法确定当前业务的工作路径，最后再进行资源的分配。其中，虚链路的权重设置如图4所示，具体包括以下两个步骤：
步骤2-1-1：计算虚链路的基本权重BaseWeight：
BaseWeight＝B_d+AddLPCoeff*AddLPNum*C_LP*PHop   (1)
其中，B_d为当前业务带宽；AddLPCoeff是一个大于0的可调浮点数，用于作为链路上扩展LightPath设置的扩展系数；AddLPNum表示当前业务带宽会导致虚链路上增加的光路数目；C_LP为虚链路上波长的容量；PHop表示虚链路对应的物理路径的跳数。
而

其中，CTotalResource是虚链路新增当前业务前的资源；LPNum是虚链路新增当前业务前的光路数目，且：

步骤2-1-2：计算虚链路的总权重VLinkWeight：
首先根据虚链路上新增当前业务前的工作光路数目WorkLPNum：

其中，CWorkResource表示虚链路上新增当前业务前的工作资源；
计算虚链路上新增业务后导致虚链路上增加的工作光路(即有业务的工作资源经过的光路)的数目AddWorkLPNum：

然后根据虚链路新增当前业务后增加的工作光路数目AddWorkLPNum计算必要的保护权重NeedProtectWeight：
NeedProtectWeight＝NeedProtectCoeff*AddWorkLPNum*QHop*C_LP        (7)
其中，NeedProtectCoeff是一个大于0的可调浮点数，用于作为考虑对物理层资源影响的系数；QHop为步骤1-2中确定的一对最短物理路径中较长的一条路径的跳数。
最后，计算虚链路总的权重VLinkWeight：
VLinkWeight＝BaseWeight+NeedProtectWeight              (8)
本发明设置虚链路权重时，除了设置虚链路基本权重外，还设置了必要的保护权重(一种惩罚性权重)，主要是基于如下考虑：如果虚链路有新增工作光路，那么该光路在物理拓扑网络中就需要被保护，因此在设置链路权重时需要考虑到业务对物理层保护资源的影响。
步骤2-2：为业务集合中的每一个业务在虚拓扑网络中确定保护路径并进行资源分配。
首先为虚拓扑网络中的每条虚链路设置权重，确定保护路径时的虚链路权重只含有基本权重，且该基本权重的设置方法与步骤2-1-1中计算虚链路的基本权重BaseWeight相同(如图5所示)；然后判断虚拓扑网络中的每条虚链路对应的物理路径与当前业务经步骤2-1确定的工作路径对应的物理路径是否含有相同的物理链路；如果含有相同的物理链路，则该虚链路不能作为当前业务保护路径的链路；然后采用SPA路由方法计算业务的保护路径；最后再进行资源的分配。
步骤3：光路模块化：
为所有业务路由并分配资源后，根据业务路由和虚链路资源配置信息，在虚链路上创建光路LightPath，并将经过虚链路的业务放在LightPath里面：分别计算工作资源和保护资源的大小，先将工作资源模块化，如果模块化后的LightPath里面有剩余资源，则填充保护资源，最后再对剩下的保护资源进行模块化；对于承载了工作资源的光路，将其标记为LPProtected，表明其在物理拓扑上需要被保护。
步骤4：根据步骤3所得的光路模块化结果，在物理拓扑网络中为物理链路分配资源。
对于虚链路上被标记为LPProtected的光路，需要为其寻找一条与它对应的物理路径链路分离的保护路，保护路的选取按跳数最小为标准，然后为该光路在它对应的物理工作路径和保护路径分别分配资源；对于没有被标记的光路，直接在对应的物理链路上分配资源。
经过以上四个步骤，完成本发明所述基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法。
本发明的创新点主要体现在以下两个方面：
1、考虑到虚链路上的光路可能需要在下层进行保护，因此建立虚拓扑网络的时候就预先考虑到这一点，虚链路对应的物理路径不是找最短路，而是找跳数和最小的一对物理路径，选取其中较短的路径作为虚链路对应的物理路径，这样对于虚链路中有需要被保护的光路，就可以使得它的工作路和保护路加起来占用的资源最小。
2、在虚拓扑网络上为业务寻找工作路径而设置虚链路权重时，为避免虚链路上需要新增工作光路，我们为该虚链路增加了一个比较大的惩罚性权重，以引导业务绕开需要新增工作光路的链路来寻找路由。
本发明提供的启发式算法实现了在一个已知物理网络拓扑(给定网络中节点位置和节点间的连通情况)和上、下层专用保护的业务需求矩阵下，光交叉连接数目未限制的可生存性业务量疏导网络规划，优化了路由计算与物理链路的资源，使得网路链路总资源配置接近最小，且资源配置速度得到大大提高。本发明适用于WDM光网络，也适用于上、下层业务粒度不同的两层及多层网络，例如：IP/MPLS over WDM网络、两层SDH网络等。
附图说明
图1是两层WDM网络中上、下层联合专用保护机制示意图。
图2是本发明提供的基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法的流程示意图。
图3是本发明提供的基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法中在虚拓扑网络中为业务进行路由和资源分配的流程示意图。
图4是本发明提供的基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法中在虚拓扑网络中为业务寻找工作路径时的虚链路权重设置示意图。
图5是本发明提供的基于层间信息路由的可生存性业务量疏导方法中在虚拓扑网络中为业务寻找保护路径时的虚链路权重设置示意图。
图6是本发明具体实施方式中一种WDM网的物理拓扑结构图。
图7是图6所示的一种WDM网的虚拓扑网络结构图。
图8是本发明中用于对比仿真的一种WDM网络拓扑结构图。
具体实施方式
下面以一个简单的例子说明本发明的技术流程，主要描述业务在上层虚拓扑中寻找路由时的链路权重设置和资源分配过程。在本发明中，我们假设一个波长的容量W＝OC-48，归一化的带宽为48。假设低粒度业务有OC-1，OC-3，OC-12三种，归一化的带宽分别为1，3，12。
物理拓扑网络如图6所示，由4个节点、5条链路组成。
现有如表1所有的2个业务需要在在图6所示网络中配置，目标是使最终用到的物理网络资源最小，也就是使物理拓扑网络上占用波长数目最小。